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Project ACCUMULO 2018

Materiali e tecnologie per l'accumulo di energia per il sistema elettrico

Materiali e tecnologie per l'accumulo di energia per il sistema elettrico

Power System Research

2018-2018

Omar Perego

Il rapporto descrive l’attività sperimentale rivolta allo sviluppo di materiali e tecnologie di accumulo elettrochimico di piccola taglia, in particolare indagando il contesto delle batterie a ioni Sodio (NIB) e al Sodio metallico ad alta temperatura. Il rapporto, inoltre, tratta il tema del grande accumulo funzionale alla rete di trasmissione nazionale, descrivendo l’attività modellistica impiegata per indagare l’esercizio in sovrappressione di giacimenti di stoccaggio di gas naturale.

Il rapporto illustra le attività e i risultati della ricerca rivolta allo sviluppo di materiali e tecnologie di accumulo elettrochimico di piccola taglia, nonché del grande accumulo funzionale alla rete di trasmissione nazionale.

Le attività sull’accumulo elettrochimico riguardano principalmente lo studio, la formulazione e la sintesi di materiali innovativi, la progettazione e realizzazione di nuovi design di cella e i test chimico-fisici, elettrochimici e di diagnostica su celle e batterie.

Un’attività riguarda lo sviluppo di una geometria planare per una mono-cella sodio/cloruro di nichel ad alta temperatura (circa 300°C), in cui gli elettrodi sono metalli liquidi e l’elettrolita è un materiale ceramico solido iono-conduttivo (β”allumina). In particolare sono state proposte nuove soluzioni tecnologiche in grado di garantire la tenuta dei comparti e migliorare le prestazioni di cella (lavorando sulla prima carica “a freddo”, sulla capacità e ciclabilità), nonché è stata affinata una procedura di sintering della β”allumina tramite Spark Plasma Sintering (SPS), in grado di realizzare manufatti con aumentate prestazioni iono-conduttive e di resistenza.

Un’altra attività riguarda lo sviluppo di una cella a ioni Sodio (NIB) con anodo a base di materiali lamellari porosi, detti MXeni, realizzati trattando chimicamente (esfoliazione) carburi misti di metalli (es: Ti-Al), appartenenti alla famiglia delle MAX-phase. In particolare sono stati affinati i processi di sintesi delle MAX-phase (tramite SPS), di macinazione per ridurle in polvere di granulometria adeguata e di esfoliazione con opportune soluzioni di HCl e NaF. I MXeni così prodotti sono stati caratterizzati come anodi in semicelle anodiche con geometria a “bottone” (coin), impiegando sodio metallico come contro-elettrodo, per accertarne la capacità di intercalazione di ioni Sodio. È stato, inoltre, realizzato materiale catodico adatto a essere combinato ai MXeni: si è lavorato sull’ottimizzazione di un processo di sintesi in umido di ossidi misti di Sodio e Manganese per realizzare un particolare materiale (Na0.44MnO2) che si presenta con una sua struttura cristallina aciculare in grado di intercalare ioni Sodio. Il materiale è stato anch’esso sottoposto a caratterizzazione elettrochimica in semicelle catodiche, impiegando sodio metallico come contro-elettrodo.

L’ultima attività sperimentale sui SdA di tipo elettrochimico riguarda le procedure di prova e i test di diagnostica su moduli e celle di batterie già in commercio, utili a stimare lo stato di salute (SOH) e il trend di invecchiamento delle batterie. In particolare, si è lavorato su analisi post mortem di celle sottoposte a invecchiamento per verificare le condizioni dei materiali. È stata implementata una nuova procedura di apertura celle, con queste non completamente scariche, per limitare i danni sui materiali dovuti alla sovrascarica.

L’attività sul grande accumulo ha avuto anch’essa un orientamento tecnologico: si sono studiate le problematiche di sicurezza relative al processo industriale di estrazione e stoccaggio del gas naturale in giacimenti profondi depleti, mediante simulazioni numeriche, attraverso il Sistema Integrato di Analisi Geo-Modellistica (GeoSIAM), strumento di simulazione implementato in RSE. In particolare, un serbatoio di stoccaggio reale situato in Lombardia è stato oggetto di indagini modellistiche geologiche, fluidodinamiche e geo-meccaniche: è stato realizzato un modello geologico statico 3D dell’area indagata e un successivo modello fluidodinamico 3D, per simulare i processi operativi di produzione e stoccaggio. È stato sviluppato e integrato in GeoSIAM anche un modulo geo-meccanico per lo studio degli effetti delle pressioni in gioco sugli strati di roccia, tra cui la subsidenza e l’innalzamento del suolo. Scopo finale è determinare se è possibile un esercizio in sovrappressione (rispetto alla pressione di scoperta del giacimento) che consentirebbe un aumento delle capacità di stoccaggio.